Measurement of the Higgs boson decay to a low-mass dilepton system and a photon in $pp$ collisions at $\sqrt{s} =$ 13 and 13.6 TeV with the ATLAS detector

Resumo Técnico: Medição da desintegração do bóson de Higgs em um sistema de dileptons de baixa massa e um fóton em colisões $pp$a$\sqrt{s}=13$ e 13,6 TeV com o detector ATLAS

Problema e Motivação
O Modelo Padrão (SM) prevê que o bóson de Higgs pode se desintegrar em um fóton e um par de léptons ($H \to \ell\ell\gamma$, onde $\ell = e, \mu$) primariamente através de processos induzidos por loops. Este canal de desintegração, especificamente na região de baixa massa invariante do sistema de dileptons ($m_{\ell\ell} < 30$ GeV), é dominado pelo processo $H \to \gamma^*\gamma \to \ell\ell\gamma$. Embora a razão de ramificação seja aproximadamente 5% da taxa de $H \to \gamma\gamma$, a observação experimental é desafiadora devido à baixa massa do par de dileptons e ao alto momento transversal do sistema, o que pode causar a fusão de chuvas eletromagnéticas de elétrons no calorímetro.

Esta análise visa medir a força do sinal do processo $H \to \ell\ell\gamma$ na região $m_{\ell\ell} < 30$ GeV. Esta medição complementa buscas anteriores para $H \to Z\gamma$ (onde $m_{\ell\ell} > 30$ GeV) e fornece uma sonda única da interação Higgs-fóton induzida por loops, independente da seção de choque de produção do Higgs. Além disso, a virtualidade não nula do fóton intermediário ($\gamma^*$) oferece sensibilidade a potenciais efeitos de nova física e permite o estudo das propriedades de CP do bóson de Higgs via assimetria frente-atrás.

Metodologia
A análise utiliza dados de colisões próton-próton registrados pelo detector ATLAS no Large Hadron Collider (LHC).

• Amostras de Dados: O conjunto de dados primário corresponde a uma luminosidade integrada de 164 fb$^{-1}$ coletada a $\sqrt{s} = 13,6$ TeV durante 2022–2024 (Run 3). Estes resultados são combinados com uma análise anterior utilizando 139 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s} = 13$ TeV (Run 2, 2015–2018).
• Seleção de Eventos: Os eventos são selecionados exigindo um fóton e um par de léptons de mesmo sabor e carga oposta ($e^+e^-$ ou $\mu^+\mu^-$). A massa invariante dos dileptons é restringida a $m_{\ell\ell} < 30$ GeV, e a massa invariante de três corpos $m_{\ell\ell\gamma}$ deve estar dentro da janela de massa do Higgs (110–160 GeV).
• Reconstrução de Objetos:
  • Dieletrons Fundidos: Um desafio significativo no canal $ee\gamma$ é a sobreposição de chuvas de elétrons. Um algoritmo dedicado de Árvore de Decisão Potencializada (BDT), treinado usando LightGBM, foi desenvolvido para identificar candidatos a "dieletrons fundidos" onde duas trilhas são correspondidas a um único cluster no calorímetro. Este algoritmo melhora a eficiência do sinal em aproximadamente 5% em relação aos métodos anteriores baseados em cortes, mantendo a rejeição de fundo.
  • Gatilhos (Triggers): Uma combinação de gatilhos de lépton único, dilepton, fóton único, difóton e lépton+fóton foi empregada, com gatilhos específicos de baixo limiar suplementados por gatilhos de alto $p_T$ para manter a eficiência em alta luminosidade instantânea.
• Categorização: Os eventos selecionados são divididos em nove categorias mutuamente exclusivas baseadas no sabor do lépton ($\mu\mu$, $ee$ resolvido, $ee$ fundido) e topologia do evento:
  1. VBF: Eventos com dois jatos frontais satisfazendo critérios cinemáticos específicos ($m_{jj} > 500$ GeV, $|\Delta\eta_{jj}| > 2,7$).
  2. Alto $p_{Tt}$: Eventos que não satisfazem os critérios VBF, mas exibem alto momento transversal projetado no eixo de thrust $\ell\ell\gamma$ ($p_{Tt} > 100$ GeV).
  3. Baixo $p_{Tt}$: Todos os eventos restantes.
• Modelagem de Sinal e Fundo:
  • Sinal: Modelado usando uma função Crystal Ball de dois lados (DSCB) derivada de simulações de Monte Carlo (MC) de $H \to \gamma^*\gamma \to \ell\ell\gamma$.
  • Fundo: O fundo dominante é a produção não ressonante de $\ell\ell\gamma$. Sua forma é modelada usando funções paramétricas (exponenciais, polinômios ou leis de potência) selecionadas via estudo de sinal espúrio. Fundos ressonantes de $H \to \gamma\gamma$ (onde um fóton converte) e léptons/fótons falsos são estimados usando técnicas baseadas em dados e templates de MC.
• Análise Estatística: Uma adequação (fit) de máxima verossimilhança não parametrizada simultânea é realizada nas distribuições de $m_{\ell\ell\gamma}$ em todas as nove categorias. Incertezas sistemáticas (experimentais e teóricas) são incorporadas como parâmetros de perturbação (nuisance parameters).

Principais Contribuições

1. Medição do Run-3: Este artigo apresenta a primeira medição de $H \to \ell\ell\gamma$ utilizando o conjunto completo de 164 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s} = 13,6$ TeV.
2. Identificação de Dieletrons Fundidos: O desenvolvimento e aplicação de um algoritmo de identificação baseado em BDT para candidatos a dieletrons fundidos aumenta significativamente a sensibilidade do canal $ee\gamma$, melhorando a significância esperada em 5% em comparação com as abordagens anteriores baseadas em cortes.
3. Análise Combinada: Os resultados são combinados com a análise do Run-2, fornecendo a medição mais precisa deste modo de desintegração até o momento, com maior poder estatístico e incertezas sistemáticas reduzidas através da combinação de conjuntos de dados com diferentes energias de centro de massa e condições do detector.

Resultos

• Apenas Run-3 (13,6 TeV):
  • O parâmetro de força do sinal observado ($\mu$), definido como a razão entre o rendimento observado e a expectativa do SM, é medido como $\mu = 0,64^{+0,44}_{-0,39}$.
  • A força do sinal esperada é $\mu = 1,00^{+0,47}_{-0,41}$.
  • A significância observada (esperada) sobre a hipótese de apenas fundo é de 1,7$\sigma$ (2,5$\sigma$).
  • A seção de choque vezes a razão de ramificação medida é $4,1^{+2,8}_{-2,5}$ fb.
• Combinado Run-2 e Run-3:
  • A força do sinal observada combinada é $\mu = 1,03^{+0,35}_{-0,32}$.
  • A força do sinal esperada combinada é $\mu = 1,00^{+0,34}_{-0,32}$.
  • A significância observada (esperada) combinada é de 3,4$\sigma$ (3,3$\sigma$).
  • O resultado é consistente com a previsão do Modelo Padrão ($p$-valor de 0,41 para o ajuste do Run-3).

Significância
O artigo reporta um resultado de Run-2 com uma significância de 3,2$\sigma$ como "evidência" para o processo $H \to \ell\ell\gamma$. A nova medição do Run-3 produz uma significância observada de 1,7$\sigma$, enquanto a combinação dos dados de Run-2 e Run-3 resulta em uma significância observada de 3,4$\sigma$. Este resultado combinado é consistente com a previsão do Modelo Padrão e representa a medição mais precisa deste modo de desintegração até o momento. A medição valida a previsão do SM para este canal de desintegração raro, induzido por loops, e demonstra a capacidade do detector ATLAS de reconstruir estados finais complexos envolvendo chuvas eletromagnéticas fundidas. Além disso, oferece um teste complementar da estrutura de loop da interação Higgs-fóton e estabelece uma base para futuras medições de precisão e buscas por nova física no espectro de baixas massas de dileptons.